CN106583719A - 一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其包括下列步骤：一将粒度为‑90～+325目的Ti‑6Al‑4V合金粉末放入送粉器中；其中，粉末氧含量不大于0.20wt.％；二将基板固定在充氩惰性气氛加工室的工作台上；三在充氩惰性气氛加工室内，当氧气含量低于100ppm后，开始钛合金增材制造成形；四在激光源作用下，将同步送进的Ti‑6Al‑4V合金粉末连续熔化沉积在基板上；在沉积过程中，通过控制沉积区能量密度和沉积区尺寸使得液‑固转变过程中冷却速率为103～104k/s，β相向α相转变过程中冷却速率为100～400k/s；制备得到具有α/β界面相的Ti‑6Al‑4V合金零件。

Description

一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料先进制造领域，具体为一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法。
背景技术
钛合金由于比强度高、热强性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空、航天、航海等工业领域。α相和β相是钛合金(Ti-6Al-4V)在室温下稳定存在的两种相，其比例、形态、分布等决定了钛合金的使用性能。传统制造技术(如锻造)通常采用合适的工艺路线调整α相和β相的比例、形态和分布，从而达到最佳组织状态以满足使用要求。近年来迅速发展起来的激光增材制造技术由于具有快速加热、快速冷却的特点，制造出来的钛合金通常具有排列混乱的针状魏氏组织特征。这种组织类型一般强度较高、塑性较低，尤其是应变控制的疲劳性能亟待提升。因此，提高钛合金塑性同时又不损伤其强度成为增材制造领域的研究重点。目前认为，取向不同的α/β界面通过阻碍位错的运动从而提高材料的强度；但界面处显著的位错塞集为初始裂纹的萌生提供了条件，从而降低了材料塑性。通常改善增材制造钛合金塑性的方法都是通过后续热处理粗化α相尺寸，增加位错滑移长度。这种方法不可避免的一个缺点就是降低了材料的强度。目前，在增材制造领域还未见能同时提高钛合金强度和塑性的技术方法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，在增材制造过程中，通过形成α/β界面相，从而能够同时大幅度的提高Ti-6Al-4V合金的强度及塑性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，包括下列步骤：
第一步，将粒度为-90～+325目的Ti-6Al-4V合金粉末放入送粉器中；其中，粉末氧含量不大于0.20wt.％；
第二步，将基板固定在充氩惰性气氛加工室的工作台上；
第三步，在充氩惰性气氛加工室内，当氧气含量低于100ppm后，开始钛合金增材制造成形；
第四步，在激光源作用下，将同步送进的Ti-6Al-4V合金粉末连续熔化沉积在基板上；在沉积过程中，通过控制沉积区能量密度和沉积区尺寸使得液-固转变过程中冷却速率为103～104k/s，β相向α相转变过程中冷却速率为100～400k/s；制备得到具有α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件。
优选的，第三步中，通过如下步骤使得充氩惰性气氛加工室内氧气含量低于100ppm；
3.1充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度为大于等于99.99％的高纯氩气充入其中，混有氩气的空气从出口处排除；
3.2当充氩惰性气氛加工室中氧含量低于800ppm时，进口和出口关闭，循环系统开始工作；
3.3加工室中含有空气的氩气进入循环系统，通过分子筛的过滤作用，滤掉空气，将剩下的氩气重新排入加工室内，以此循环往复，逐渐降低加工室内的氧气含量，直至氧气含量在100ppm以下。
优选的，第四步中，通过激光源加工头的连续提升或者基板的连续下降，沉积高度≥60mm的Ti-6Al-4V合金零件。
优选的，第四步中，通过数控系统控制沉积区能量密度为20～30J/mm2，及沉积区横截面积尺寸为600～1000mm2。
优选的，第四步中，激光源采用全固态激光。
优选的，所述的基板采用钛合金基板或者纯钛基板。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明通过控制激光沉积过程中的工艺策略，关键在激光工艺参数和沉积区尺寸的控制，使液-固转变过程中冷却速率控制在103～104k/s、β→α相转变过程中冷却速率控制在100～400k/s，从而在α/β界面处形成特殊的α/β界面相。通过本发明所制备的Ti-6Al-4V合金组织中存在α/β界面相，其在拉伸过程中显著阻碍位错运动，减小位错滑移长度，起到细晶强化作用，提高钛合金强度；同时在拉伸过程中α/β界面相中可形成孪晶，降低局部塞集应力，通过“孪生诱发塑性效应”提高钛合金的塑性性能。其强度和塑性均优于未形成α/β界面相的钛合金性能。
附图说明
图1是本发明实例中所述的采用以全固态激光器为激光源的增材制造设备所制备的Ti-6Al-4V合金显微组织图。
图2a是本发明实例中所述的采用以全固态激光器为激光源的增材制造设备所制备的Ti-6Al-4V合金在拉伸工程应变为2.5％的位错分布特征。
图2b是本发明实例中所述的采用以全固态激光器为激光源的增材制造设备所制备的Ti-6Al-4V合金在拉伸工程应变为6％的位错分布特征。
图3是本发明实例中所述的采用以全固态激光器为激光源的增材制造设备所制备的Ti-6Al-4V合金在拉伸工程应变为8.5％的拉伸中形成的孪晶。
图4是本发明实例中所述的Ti-6Al-4V合金的工程应力-应变曲线。
图5是本发明实例中所述的Ti-6Al-4V合金的拉伸应变强化速率曲线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明具体是在增材制造的激光熔覆沉积和选区激光熔化过程中通过形成α/β界面相，同时提高钛合金强度和塑性，其效果类似于“细晶强化”；可用于强韧化钛合金材料的制备，提供了增材制造钛合金(Ti-6Al-4V)强韧化的一种制备方法。
本发明中Ti-6Al-4V钛合金是这样实现的：在充氩惰性气氛保护室中，以高能全固态激光作为激光源，将同步送进的Ti-6Al-4V(O≤0.20wt.％)合金粉末在锻造钛合金基板或者纯钛基板上连续熔化逐层沉积，通过控制沉积过程中的工艺参数，制备出具有α/β界面相的Ti-6Al-4V钛合金零件。所述的Ti-6Al-4V钛合金制备方法，其设备包括：
(A)钛合金基板或者纯钛板，作为沉积过程中的预制基板；
(B)充氩惰性气氛加工室(O≤100ppm)，避免沉积过程中被氧化；
(C)全固态激光作为激光源，熔化金属粉末；
(D)同步送进Ti-6Al-4V合金粉末的输送系统，保证沉积过程连续进行；
(E)数控系统，以保证沉积外形及尺寸；
该方法包括下列步骤：
第一步：将粒度为-90～+325目的低氧Ti-6Al-4V合金粉末放入送粉器中；其中，粉末氧含量不大于0.20wt.％；
第二步：将钛合金基板或者纯钛板放入充氩惰性气氛加工室中并固定在工作台上；
第三步：充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度为大于等于99.99％的高纯氩气充入其中，混有氩气的空气从出口处排除。当气氛加工室中氧含量低于800ppm时，进口和出口关闭，循环系统开始工作。加工室中含有空气的氩气进入循环系统，通过分子筛的过滤作用，滤掉空气，将剩下的氩气重新排入加工室内，以此循环往复，逐渐降低加工室内的氧气含量，直至氧气含量在100ppm以下，开始钛合金增材制造成形。
第四步：导入全固态激光作为激光源，将同步送进的Ti-6Al-4V合金粉末连续熔化沉积在钛基板或者纯钛基板上。通过激光源加工头的连续提升或者基板的连续下降，沉积高度≥60mm的合金块体。在沉积过程中，通过数控系统控制工艺参数，使其沉积区能量密度E为20～30J/mm2及沉积区横截面积尺寸S为600～1000mm2，使得液-固转变过程中冷却速率为103～104k/s、β→α相转变过程中冷却速率为100～400k/s。从而制备出具有α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件。
第五步：沉积完成后打开充氩惰性气氛保护室，将合金零件取出。
具体的，采用全固态激光器为高能束流的增材制造设备来制备Ti-6Al-4V钛合金，在配有五轴四联动数控加工机床的6kW光纤传输全固态激光增材制造设备上进行Ti-6Al-4V钛合金制备研究。选用尺寸为200mm×50mm×15mm的纯钛板作为基板，选用等离子旋转电极法制备的粒度为-90～+325目的低氧Ti-6Al-4V(O≤0.20wt.％)球形粉末作为激光增材制造的原材料。选用纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气和粉末输送气。
第一步：将粒度为-90～+325目的低氧Ti-6Al-4V钛合金放入送粉器中；
第二步：将纯钛基板放入充氩惰性气氛加工室中并固定在工作台上；
第三步：充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度大于等于99.99％的高纯氩气充入其中，混有氩气的空气从出口处排除。当气氛加工室中氧含量低于800ppm时，进口和出口关闭，循环系统开始工作。加工室中含有空气的氩气进入循环系统，通过分子筛的过滤作用，滤掉空气，将剩下的氩气重新排入加工室内，以此循环往复，逐渐降低加工室内的氧气含量，直至氧气含量在100ppm以下，便开始增材制造成形。
第四步：采用数控系统对激光扫描路径及沉积区尺寸进行编程，扫描路径采用往复编织状扫描路径，沉积区尺寸设置为60mm(长)×15mm(宽)×70mm(高)。然后导入激光源，所用增材制造工艺参数范围如下所示：
同步开启送粉器输送Ti-6Al-4V合金粉末。成形过程中，通过工作台上基板的连续下降，将Ti-6Al-4V合金粉末连续熔化沉积在纯钛基板上。从而制备出具有α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件，其组织如图1所示。其在拉伸过程中显著阻碍位错运动，减小位错滑移长度，如图2a和图2b所示，起到细晶强化作用，提高钛合金强度；
第五步：沉积完成后打开充氩惰性气氛保护室，将其取出，得到Ti-6Al-4V合金块体。
对制备成形的Ti-6Al-4V合金零件进行组织及性能测试。拉伸过程中，在α/β界面相中可形成孪晶，如图3所示，降低了界面处局部塞集应力，同时通过“孪生诱发塑性效应”提高了钛合金的塑性性能。力学性能试验测试结果表明：具有α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件具有优异力学性能，其强度及塑性均优于不含α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件，如表1及图4所示。同时其应变硬化速率也得到了提高，如图5所示。
表1激光增材制造Ti-6Al-4V合金室温拉伸性能试验结果
α/β界面相 σ0.2(MPa) σb(MPa) δ(％)
无 763.5 846.2 8.1
有 854.9 953.3 12.4

Claims (6)

1.一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
第一步，将粒度为-90～+325目的Ti-6Al-4V合金粉末放入送粉器中；其中，粉末氧含量不大于0.20wt.％；
第二步，将基板固定在充氩惰性气氛加工室的工作台上；
第三步，在充氩惰性气氛加工室内，当氧气含量低于100ppm后，开始钛合金增材制造成形；
第四步，在激光源作用下，将同步送进的Ti-6Al-4V合金粉末或预铺的粉末层连续熔化沉积在基板上；在沉积过程中，通过控制沉积区能量密度和沉积区尺寸使得液-固转变过程中冷却速率为103～104k/s，β相向α相转变过程中冷却速率为100～400k/s；制备得到具有α/β界面相的Ti-6Al-4V合金零件。
2.根据权利要求1所述的一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，第三步中，通过如下步骤使得充氩惰性气氛加工室内氧气含量低于100ppm；
3.1充氩惰性气氛加工室的进口和出口打开，将纯度为大于等于99.99％的高纯氩气充入其中，混有氩气的空气从出口处排除；
3.2当充氩惰性气氛加工室中氧含量低于800ppm时，进口和出口关闭，循环系统开始工作；
3.3加工室中含有空气的氩气进入循环系统，通过分子筛的过滤作用，滤掉空气，将剩下的氩气重新排入加工室内，以此循环往复，逐渐降低加工室内的氧气含量，直至氧气含量在100ppm以下。
3.根据权利要求1所述的一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，第四步中，通过激光源加工头的连续提升或者基板的连续下降，沉积高度≥60mm的Ti-6Al-4V合金零件。
4.根据权利要求1所述的一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，第四步中，通过数控系统控制沉积区能量密度为20～30J/mm2，及沉积区横截面积尺寸为600～1000mm2。
5.根据权利要求1所述的一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，第四步中，激光源采用全固态激光。
6.根据权利要求1所述的一种能同时提高增材制造钛合金强度和塑性的制备方法，其特征在于，所述的基板采用钛合金基板或者纯钛基板。
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